اولین لیزر فیبر فمتوثانیه مرئی

خلاصه خبر:

محققان با موفقیت اولین لیزر فیبری مرئی را با پالس‌های فمتوثانیه تولید کردند. محققان دانشگاه لاوال کانادا، یک لیزر فمتوثانیه فیبری در طیف قابل رؤیت پیاده سازی کرده اند. لیزر جدید، مبتنی بر فیبر فلوریدی است با  عناصر lanthanide دوپ  شده است. این لیزر،  نور قرمز با طول موج 635 نانومتر ،پالس‌های فشرده با مدت زمان 168 فمتوثانیه، قدرت بالای 0.73 کیلووات و نرخ تکرار 137 مگاهرتز تولید می‌کند. در این تحقیق استفاده از یک لیزر دیود آبی صنعتی به عنوان منبع انرژی نوری، یک طراحی مقاوم، کوچک و هزینه کارآمد را ممکن ساخته است. توسعه لیزر فمتوثانیه فیبری مرئی، فرصت‌های بسیاری را برای استفاده در زمینه‌های زیست‌پزشکی و پردازش مواد فراهم می‌کند. از جمله کاربردهای احتمالی آن می‌توان به حک کردن با دقت بالا در بافت‌های زیستی و همچنین میکروسکوپی زوج فوتون تحریکی اشاره کرد.

توضیحات تکمیلی:

لیزرهای فیبر فمتوثانیه با ارائه پالس های فوق کوتاه و روشنایی بالا که از ناشی از سیستم های فشرده و کم حجم هستند، منبعی مقرون به صرفه و قابل اعتماد برای صنعت فناوری لیزر بوجود آورده است. در این تحقیق،  دامنه کاربرد چنین منابعی با معرفی اولین لیزر فیبر فمتوثانیه ای که در طیف مرئی کار می کنند، بیش از پیش قابل گسترش شده است. 
در گذشته، تولید پالس‌های فمتوثانیه مرئی نیازمند تنظیمات پیچیده و ناکارآمد بوده است. از سوی دیگر، لیزرهای فیبری مزایایی مانند مقاومت، اطمینان، اندازه مناسب، بازدهی بالا و هزینه کم را دارند که ایجاد سیستم های کارآمد را ممکن می‌کند.

با این حال، تولید پالس‌های مرئی  با مدت زمان فمتوثانیه با استفاده از لیزرهای فیبری امکان‌پذیر نبوده است.
در لیزرهای فیبری، یک فیبر نوری دوپ شده با عناصر کمیاب خاکی، به عنوان تقویت کننده لیزر عمل می کند. قسمت اصلی این آزمایش بر اساس حلقه فیبری فلوراید دوپ شده با Pr3+ است که بر روی مد لیزر اصلی قفل شده است.
طرحواره آزمایش تولید لیزر فمتو ثانیه بصورت زیر است:

لیزر، بر اساس انتقال 3P0→3F2 در فیبر دوپ شده ایجاد می‌شود، همانطور که در شکل بالا نشان داده شده است. طرحواره شامل یک  کاواک حلقه ای است که از یک فیبر تقویت کننده نوری و یک بخش فضای آزاد، شامل یک تیغه ربع موج و  یک تیغه نیمه موج، یک یک سو کننده نوری(ایزولاتور)، یک باریکه شکن قطبشگر (Polarizing beamsplitters) و یک فیلتر تشکیل شده است. فیبر تقویت کننده یک فیبر Pr3+ دوپ شده زیرکونیوم فلوراید به طول 90 سانتی متر است. هسته فیبر با 0.6 مول Pr3+ دوپ شده که  NA=0.08  را دارد و دارای  قطر 5.5 میکرومتر است که حالت تک مدی لیزر را در طول موج سیگنال (0.57میکرومتر) امکان پذیر می‌کند.

این فیبر دارای دو غلاف است . غلاف داخلی دارای قطر 125 میکرومتری با شکل دایره ای و دارای NA>0.5 است که توسط دو تیغه با فاصله 115 میکرومتر از هم، بریده شده است. روکش خارجی 180 میکرومتری از پلیمر فلوئورواکریلات با شاخص کم ساخته شده است و امکان انتشار چند مدی سیگنال پمپ را در امتداد روکش داخلی می دهد. تلفات پس زمینه  1.5 dB/m در غلاف داخلی فیبر در طول موج پمپ و 0.2 dB/m در هسته فیبر در طول موج سیگنال است.

سیگنال پمپ توسط یک لیزر دیود چند مودی GaN با طول موج 445 نانومتر تولید می‌شود که به فیبر سیلیکا چند حالته با قطر 105/125 میکرومتر و NA = 0.22  متصل شده است . سیگنال پمپ با استفاده از یک جفت عدسی به غلاف فیبر فعال متصل می شود. لنز مورد استفاده برای تزریق سیگنال پمپ در فیبر دوپ شده Pr3+ عمل می کند. . از همان مدل لنز برای تزریق مجدد سیگنال لیزر قرمز به هسته فیبر در انتهای دوم  فیبر استفاده می‌شود. در داخل تشدید کننده، از دو آینه که در زاویه 45 درجه قرار گرفته، برای بستن  کاواک حلقه ای استفاده می شود. برای نور غیرقطبی، هر دو آینه دارای مشخصه، درصد انتقال 95٪ در طول موج 445 نانومتر و درصد انعکاس 86٪ در طول موج 635 نانومتر هستند. برای دستیابی و حفظ عملیات قفل شدن مد در فیبر ، دو تیغه ربع موج، یک تیغه نیم موج، یک باریکه شکن قطبشگر و یک فیلتر در داخل تشدید کننده قرار گرفته است. ایزولاتور به عنوان یک قطبشگر عمل می‌کند و در عین حال از انتشار لیزر یک طرفه در کاواک اطمینان می‌دهد. یک فیلتر باند گاوسی برای کارکرد لیزر در رژیم قفل کردن استفاده می شود.

بعد از گذشتن لیزر از این فیلتر، نوری دارای طول موج مرکزی 634 نانومتر و پهنای باند 5 نانومتر پدید می‌آید. کوپلینگ خروجی توسط یک PBS ایجاد و با استفاده از تیغه نیم موج کنترل می‌شود. طول بخش انتشار در فضای آزاد در حفره لیزر 82 سانتی‌متر است. در خارج از تشدید کننده، خروجی لیزر با استفاده از دو آینه فلزی به یک مرحله فشرده سازی  هدایت می شود که شامل دو توری انتقال هولوگرافیک فاز حجمی است که از یکدیگر با فاصله 12 سانتی متر قرار دارند و  همچنین یک آینه فلزی کج شده برای تولید خروجی 2 وجود دارد.

ستاپ اجرایی شده در شکل زیر آمده است:

در ادامه به مشخصات لیزر خروجی پرداخته میشود:

توان لیزر پمپ  14 وات در طول موج 445 نانومتر است که با جهت گیری مناسب تیغه ها ، یک حالت قفل شده بر روی مد لیزر بصورت پایدار به دست می آید. خواص زمانی لیزر با استفاده از حسگر نوری با نرخ 2 گیگاهرتز اندازه گیری می شود. نرخ تکرار پالس ها  137.123 مگاهرتز است، این مقدار برابر با زمان تکرار 7.3  نانو ثانیه  برای پالس ها است، و همچنین  نسبت سیگنال به نویز   (SNR) 60 dB است؛ در ادامه خواص طیفی لیزر خروجی با استفاده از تحلیلگر طیف نوری اندازه گیری شد. منحنی آبی در شکل a طیف خروجی نرمال شده را نشان می دهد که دارای وضوح 0.1 نانومتر  است. لیزر دارای مرکز 635 نانومتر و پهنای باند FWHM 7.1 نانومتر است. میانگین توان خروجی اندازه‌گیری شده مقدار  90 میلی‌وات است که این عدد به این معنی است که پالس ها هر کدام دارای انرژی 0.66 نانو ژول هستند.

اندازه گیری خودهمبستگی در خروجی 1 با استفاده یک دستگاه خود همبستگی اندازه گیری شد؛ لیزر خروجی دارای همبستگی (FWHM)  2.3 پیکوثانیه است که در قسمت داخلی شکلb نشان داده شده است. پالس ها نیز بعد از کوتاه شدن شکل زمانی دوباره اندازه گیری شدند که در شکل اصلی نشان داده شده است که باعث تغییر مقدار خودهمبستگی به 242 فمتو ثانیه می‌شود. طبق اندازه گیری های شکل c ،پالس های تولید شده دارای پهنای زمانی 168 فمتوثانیه هستند. در قسمت d منحنی های توان و فرکانس لحظه ای پالس در خروجی لیزر، قبل از مرحله فشرده سازی آورده شده است.

در مرحله بعدی این تحقیق ، محققان می‌خواهند این فناوری را با یکپارچه‌سازی کامل تنظیمات، بهبود ببخشند؛ به این معنی که اجزای نوری منفرد فیبر همگی مستقیماً به یکدیگر متصل می‌شوند؛ این عملیات تلفات نوری در راه اندازی را کاهش می‌دهد، کارایی را بهبود می‌بخشد و لیزر را قابل اطمینان‌تر، فشرده‌تر و قوی‌تر می‌کند. محققین همچنین در حال بررسی راه‌های مختلف برای بهبود انرژی پالس لیزر، مدت زمان پالس و توان متوسط آن هستند.

منبع

“Visible femtosecond fiber laser” by Martin Bernier, Michel Olivier, Marie-Pier Lord and Réal Vallée, 14 July 2023, Optics Letters.
DOI: doi:10.1364/OL.492671